原子結(jié)構(gòu)與元素周期系.ppt

原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,1,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,核外電子的運(yùn)動狀態(tài) 核外電子的排布和元素周期系 元素基本性質(zhì)的周期性,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,2,12 微觀粒子的波粒二象性,一、 光和實(shí)物粒子的波粒二象性 1924年德國物理學(xué)家 L de Broglie (德布羅意)提出假設(shè)： 既然光是一種微粒又是一種波，那么靜止質(zhì)量不為零的實(shí)物粒子也含有相似的二象性 1927年C.J.Pavisson (戴維遜)和L.H.Germer (蓋末爾)獲得一種晶體的電子衍射圖，從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了de Broglie的假設(shè)，從此科學(xué)家們開始接受實(shí)物粒子的二象性。,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,3,電子衍射實(shí)驗(yàn)示意圖 用電子槍發(fā)射高速電子通過薄晶體片射擊感光熒屏，得到明 暗相間的環(huán)紋，類似于光波的衍射環(huán)紋。,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,4,結(jié)論： 1.電子等實(shí)物粒子具有 波粒 二象性； 2.不能用經(jīng)典物理的波和粒的概念來理解它的行為。 再次說明描述電子等微粒的運(yùn)動規(guī)律只能用描述微粒運(yùn)動規(guī)律的量子力學(xué)。,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,5,二、 測不準(zhǔn)原理和幾率概念,測不準(zhǔn)原理： 一個粒子的位置和動量不能同時地、準(zhǔn)確地測定。 注意：這里所討論的不確定性并不涉及所用的測量 儀器的不完整性，它們是內(nèi)在固有的不可測定性。 xh/2 mv,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,6,13 波函數(shù)和原子軌道,薛定諤方程 波函數(shù)和原子軌道 一定的波函數(shù)表示電子的一種運(yùn)動狀態(tài)，狀態(tài)軌道。 波函數(shù)叫做原子軌道，即波函數(shù)與原子軌道是同義詞。,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,7,波函數(shù)的意義,原子核外電子的一種運(yùn)動狀態(tài) 每一個波函數(shù)都有對應(yīng)的能量 E 波函數(shù)沒有明確的直觀的物理意義,但波函數(shù)絕對值的平方|2卻有明確的物理意義,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,8,16 四個量子數(shù),2,m=0,+1,-1,+2, l,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,9,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,10,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,11,多電子原子近似能級圖的特點(diǎn)：,近似能級圖是按原子軌道的能量高低而不是按原子軌道離核的遠(yuǎn)近順序排列起來。把能量相近的能級劃為一組，稱為能級 1s 第一能級組 2s2p 第二能級組 3s3p 第三能級組 4s3d4p 第四能級組 5s4d5p 第五能級組 6s4f5d6p 第六能級組 7s5f6d7p 第七能級組 在能級圖中可以看到：相鄰的兩個能級組之間的能量差較大，而在同一能級組中各能級的能量差較小。,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,12,在能級圖中:所謂等價軌道是指其能量相同、成鍵能力相同，只是空間取向不同的軌道。 角量子數(shù)l相同的能級，其能量由主量子 數(shù)n決定，n越大，能量越高。 主量子數(shù)n相同，角量子數(shù)l不同的能級，其能量隨l的增大而升高。 主量子數(shù)n和角量子數(shù)l同時變化時，從圖中可知，能級的能量變化情況是比較復(fù)雜的。,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,13,核外電子層結(jié)構(gòu)的原則,能量最低原理 堡里不相容原理 （奧地利科學(xué)家） 洪特（Hund）規(guī)則（德國科學(xué)家）,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,14,能量最低原理,多電子原子在基態(tài)時，核外電子總是盡可能分布到能量最低的軌道，這稱為能量最低原理。,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,15,堡里不相容原理,一個電子的四個量子數(shù)為（3、2、0、-1/2） 另一個電子的四個量子數(shù)為（3、2、0、+1/2） 從保里原理可獲得以下幾個重要結(jié)論： a)每一種運(yùn)動狀態(tài)的電子只能有一個。 b)由于每一個原子軌道包括兩種運(yùn)動狀態(tài)，所以每一個原子軌道中最多只能容納兩個自旋不同的電子。 c)因?yàn)閟、p、d、f各分層中原子軌道數(shù)為1、3、5、7 所以各分層中相應(yīng)最多只能容納2、6、10、14個電子。 d)每個電子層原子軌道的總數(shù)為n 個，因此，各電子層中電子的最大容量為2n個。,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,16,洪特（Hund）規(guī)則,電子分布到能量相同的等價軌道時，總是盡先以自旋相同的方向，單獨(dú)占領(lǐng)能量相同的軌道。 例: 7N 2p 2s 1s,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,17,作為洪特規(guī)則的特例，等價軌道： 全充滿 p6、d10、f14 半充滿 p3、d5、f7 全 空 p0、d0、f0 的結(jié)構(gòu)狀態(tài)比較穩(wěn)定 例： 19號 K 1s22s22p63s23p64s1 原子實(shí)結(jié)構(gòu)式為 Ar4s1 24號 Cr Ar3d54s1,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,18,原子的電子層,注意幾個例外 : 24號Cr 3d54s1 29號Cu 3d104s1 40號Zr 4d25s2 41號Nb 4d45s1 42號Mo 4d55s1 43號Tc 4d55s2 44號Ru 4d75s1 45號 Rh 4d85s1 46號Pd 4d10,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,19,原子的電子層結(jié)構(gòu) 與元素的分區(qū),原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,20,核外電子的排布（原子的電子層結(jié)構(gòu)）,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,21,11 Na Sodium 鈉 1s2 2s22p63s1 12 Mg Magnesium 鎂 1s2 2s22p63s2 13 Al Aluminium 鋁 1s2 2s22p63s23p1 14 Si Silicon 硅 1s2 2s22p63s23p2 15 P Phosphorus 磷 1s2 2s22p63s23p3 16 Si Sulfur 硫 1s2 2s22p63s23p4 17 Cl Chlorine 氯 1s2 2s22p63s23p5 18 Ar Argon 氬 1s2 2s22p63s23p6,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,22,* Ar 原子實(shí)，表示 Ar 的電子結(jié)構(gòu)式 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 。 原子實(shí)后面是價層電子，即在化學(xué)反應(yīng)中可能發(fā)生變化的電子。,* 雖先排 4s 后排 3d ， 但電子結(jié)構(gòu)式中先寫 3d，后寫 4s,* 21 Sc Scandium 鈧 Ar 3d14s2 22 Ti Titanium 鈦 Ar 3d24s2 23 V Vanadium 釩 Ar 3d34s2,24 Cr Chromium 鉻 Ar 3d54s1,25 Mn Manganese 錳 Ar 3d54s2 26 Fe Iron 鐵 Ar 3d64s2 27 Co Cobalt 鈷 Ar 3d74s2 28 Ni Nickel 鎳 Ar 3d84s2,* 19 K Potassium 鉀 Ar 4s1 20 Ca Calcium 鈣 Ar 4s2,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,23,1 元素的周期,周期的劃分與能級組的劃分完全一致，每個能級組都獨(dú)自 對應(yīng)一個周期。共有七個能級組， 所以共有七個周期。,第一周期： 2 種元素 第一能級組： 2 個電子 1 個能級 1s 1 個軌道,第二周期： 8 種元素 第二能級組： 8 個電子 2 個能級 2s 2p 4 個軌道,(2)元素周期系,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,24,第三周期： 8 種元素 第三能級組： 8 個電子 2 個能級 3s 3p 4 個軌道,第五周期： 18 種元素 第五能級組： 18 個電子 3 個能級 5s 4d 5p 9 個軌道,第四周期： 18 種元素 第四能級組： 18 個電子 3 個能級 4s 3d 4p 9 個軌道,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,25,第七周期： 32 種元素 第七能級組：32 個電子 4 個能級 7s 5f 6d 7p 16 個軌道,第六周期： 32 種元素 第六能級組： 32 個電子 4 個能級 6s 4f 5d 6p 16 個軌道,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,26,原子的電子層結(jié)構(gòu) 與周期的關(guān)系,各周期元素的數(shù)目相應(yīng)能級組中原子軌道所能容納的電子總數(shù)2、8、8、18、18、32 p區(qū)從左上到右下的對角線為B、Si、As、Te、At，在此諸元素的右上方位是非金屬，左下方位金屬，對角線上及附近的元素是準(zhǔn)金屬，有些具有半導(dǎo)體的性質(zhì)，周期表中約4/5的元素是金屬。,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,27,原子的電子層結(jié)構(gòu) 與族的關(guān)系,主族元素的族數(shù)（包括ds區(qū)）該元素原子的最外層電子數(shù)該族元素的最高化合價（除氧、氟外） 副族元素的族數(shù)=最高能級組中的電子總數(shù) 或 副族數(shù)（s+d）電子數(shù)10,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,28,副族元素的氧化態(tài) 均能呈現(xiàn)多種,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,29,元素周期系的發(fā)展前景,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,30,第三部分 元素基本性質(zhì)的周期性,原子半徑 電離能 元素的電負(fù)性 電子親合勢,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,31,31 原子半徑,A.共價半徑同種元素的兩個原子共價單鍵連接時，核間距的一半。 一般 單鍵半徑 雙鍵半徑 叁鍵半徑 B.金屬半徑緊密堆積的金屬晶體中以金屬鍵結(jié)合的同種原子核間距離的一半。 同一原子的金屬半徑要大于共價半徑1015% 。 C.范德華半徑非鍵和原子之間只靠分子間的作用力互相接近時，兩原子的核間距的一半。 一般范德華半徑最大（非鍵合），共價半徑最小（軌道重疊），金屬半徑位中間（緊密堆積）,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,32,原子半徑在周期中的變化,在短周期中，從左往右隨著核電荷數(shù)的增加，原子核對外層電子的吸引作用也相應(yīng)地增強(qiáng)，使原子半徑逐漸縮小。 在長周期中，自左向右原子半徑縮小程度不大。 周期系中各相鄰元素原子半徑減少的平均幅度為： 非過渡金屬（0.1pm）過渡元素（0.05 pm）內(nèi)過渡元素（0.01 pm）,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,33,（1） 原子半徑在周期表中的變化,只有當(dāng) d5，d10，f7，f14 半充滿和全充滿時，層中電子的對稱性較高，這時 占主導(dǎo)地位，原子半徑 r 增大。, 核電荷數(shù) Z 增大，對電子吸引力增大，使得原子半徑 r 有減小的趨勢。 核外電子數(shù)增加，電子之間排斥力增大，使得原子半徑 r 有增大的趨勢。,以 為主。即同周期中從左向右原子半徑減小。,(a) 同周期中 從左向右，在原子序數(shù)增加的過程中，有兩個因素在影響原子半徑的變化,這是一對矛盾， 以哪方面為主？,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,34,短周期的主族元素，以第 3 周期為例,r/pm 154 136 118 117 110 104 99 154,Sc Ni，8 個元素，r 減少了 29 pm。相鄰元素之間，平均減少幅度 4 pm 許。,Na Cl，7 個元素，r 減少了 55 pm。相鄰元素之間，平均減少幅度 10 pm 許。 Ar 為范德華半徑， 所以比較大。,r/pm 144 132 122 118 117 117 116 115 117 125,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,35,短周期主族元素，電子填加到外層軌道，對核的正電荷中和少，有效核電荷 Z* 增加得多。所以 r 減小的幅度大。 長周期過渡元素，電子填加到次外層軌道，對核的正電荷中和多，Z* 增加得少，所以 r 減小的幅度小。,短周期主族元素原子半徑平均減少幅度 10 pm ，長周期的過渡元素平均減少幅度 4 pm 。造成這種不同的原因是什么？,Cu，Zn 為 d10 結(jié)構(gòu)，電子斥力大， 所以 r 不但沒減小，反而有所增加。,r/pm 144 132 122 118 117 117 116 115 117 125,試設(shè)想超長周期的內(nèi)過渡元素，會是怎樣的情況。,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,36,(c)同族中 同族中，從上到下，有兩種因素影響原子半徑的變化趨勢 核電荷 Z 增加許多，對電子吸引力增大， 使 r 減??； 核外電子增多，增加一個電子層，使 r 增大。,在這一對矛盾中， 起主導(dǎo)作用。同族中，從上到下，原子半徑增大。,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,37,副族元素 Ti V Cr r/pm 132 122 118 Zr Nb Mo 145 134 130 Hf Ta W 144 134 130,第二過渡系列比第一過渡系列原子半徑 r 增大 1213 pm。,第三過渡系列和第二過渡系列原子半徑 r 相近或相等。這是鑭系收縮的影響結(jié)果。,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,38,原子半徑在族中變化,在同一主族中，從上到下，隨著核電荷數(shù)增加，元素原子的電子層數(shù)增多，原子半徑增大。 副族元素的元素半徑變化不明顯，特別是第五、六周期的元素的原子半徑非常相近。這主要是由于鑭系收縮所造成的結(jié)果。,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,39,離子半徑,在離子晶體中，正負(fù)離子間的吸引作用和排斥作用達(dá)平衡時，使正、負(fù)離子間保持著一定的平衡距離，這個距離叫核間距，結(jié)晶學(xué)上常以符號d表示。,離子半徑大致有如下的變化規(guī)律： 在周期表各主族元素中，由于自上而下電子層依次增多，所以具有相同電荷數(shù)的同族離子的半徑依次增大。 例如 Li+Na+K+Rb+Cs+ FClBrI,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,40,在同一周期中主族元素隨著族數(shù)遞增，正離子的電荷數(shù)增大，離子半徑依次減小。 例如 Na+Mg2+Al3+ 若同一元素能形成幾種不同電荷的正離子時，則高價離子的半徑小于低價離子的半徑。 例如 rFe3+(60 pm) rFe2+(75 pm) 負(fù)離子的半徑較大，正離子的半徑較小。 周期表中處于相鄰族的左上方和右上方斜對角線上的正離子半徑近似相等。 例如 Li(60pm) Mg2(65 pm) Sc3(81pm) Zr4(80pm) Na+(95pm) Ca2+(99pm),原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,41,32 電離能,定義：從氣態(tài)的基態(tài)原子中移去一個電子所需的最低能量，用焓的改變量來表示 從氣態(tài)的一價正離子中移去一個電子的焓的改變量 元素的第一電離勢越小，表示它越容易失去電子，即該元素的金屬性越強(qiáng)。,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,42,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,43,影響因素,原子核電荷（同一周期）即電子層數(shù)相同，核電荷數(shù)越多、半徑越小、核對外層電子引力越大、越不易失去電子，電離勢越大。 原子半徑（同族元素）原子半徑越大、原子核對外層電子的引力越小，越容易失去電子，電離勢越小。 電子層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的8電子結(jié)構(gòu)（同周期末層）電離勢最大。,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,44,變化規(guī)律,同一主族元素，從上向下，隨著原子半徑的增大，元素的第一電離勢依次減小。 在同一周期中元素的第一電離勢從左到右總趨勢上依次增大，金屬性減弱。,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,45,33 電子親合勢,電子親合能 電子親合能(Y)是指氣態(tài)的基態(tài)原子獲得一個電子成為一價負(fù)離子所放出的能量： 具有最大電子親合能為Cl原子 ，鹵素的電子親合能最大 ，和鹵素相鄰的氧族元素，電子親合能也較大 。金（Au）對具有最高的電子親合能值,原子結(jié)構(gòu)與元素周期系,46,在周期、族中的變化規(guī)律,電子親合能隨原子半徑的減